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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lidar-Sensor und insbesondere einen Lidar-Sensor für ein Fortbewegungsmittel.
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Aus dem Stand der Technik sind Lidar-Sensoren unterschiedlicher Ausprägungen bekannt, welcher beispielsweise für eine Umfelderfassung eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Solche Lidar-Sensoren stellen hochempfindliche Entfernungsmessgeräte dar, welche auf Basis eines ausgesandten Laserstrahls über direkte oder indirekte Verfahren, die Laufzeit zwischen einem entfernten Objekt und dem Lidar-Sensor ermitteln. Typischerweise zielen solche Sensoren auf eine sehr große Reichweite im Bereich von 100 m - 300 m oder mehr ab, mit welcher entsprechend sehr hohe Anforderungen an jeweilige Sende- und Empfangstechnologien dieser Lidar-Sensoren einhergehen. Eine maximal erreichbare Reichweite wird hierbei nicht nur durch die zugrundeliegende Technologie des Lidar-Sensors bestimmt, sondern ist auch stark von Anforderungen an eine augensichere Ausgestaltung der Lidar-Sensoren abhängig.
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Insbesondere bei einer Verwendung von Licht im nahinfraroten Wellenlängenbereich (< 1400 nm), wird der ausgesandte Laserstrahl des Lidar-Sensors nicht an der Oberfläche des Auges absorbiert, sondern auf der Netzhaut abgebildet. Dadurch ist eine zielgerichtete Auslegung der Lidar-Sensoren im Hinblick auf die Augensicherheit in diesem Wellenlängenbereich besonders wichtig.
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Im Sinne der Augensicherheit sind u. a. Aspekte wie eine Pulsdauer des Laserstrahls, ein verwendetes Scanverfahren, eine Struktur des Laserstrahls in weiter Entfernung vom Sensor und eine Struktur des Laserstrahls direkt beim Austritt aus einem Schutzglas des Lidar-Sensors entscheidend und finden bei einer Auslegung der Lidar-Sensoren entsprechend Berücksichtigung.
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DE102017213726 A1 beschreibt eine Sensorvorrichtung zur Detektion eines Objekts mittels Licht zumindest einer Wellenlänge, wobei ein von einer Sendeeinrichtung der Sensorvorrichtung ausgesendetes Licht, in einer Ebene senkrecht zu einem Sendepfad, die Form einer Fläche aufweist, welche einen inneren, nicht mit Licht beaufschlagten Bereich aufweist.
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DE102018212735 A1 beschreibt eine Lidar-Vorrichtung zum Abtasten eines Abtastbereichs, wobei eine Sendeeinheit der Lidar-Vorrichtung in einem Strahlengang emittierter elektromagnetischer Strahlen, mindestens ein Streuscheibenelement aufweist. Das Streuscheibenelement streut die emittierte Leistung der Strahlenquelle in einen gewünschten Raumwinkel bzw. Abtastbereich und erhöht dadurch die Augensicherheit der Lidar-Vorrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Lidar-Sensor vorgeschlagen, welcher eine Sendeeinheit und eine Ablenkeinheit aufweist. Der Lidar-Sensor ist vorzugsweise ein Lidar-Sensor eines Umfelderfassungssystems eines Fortbewegungsmittels, wobei das Fortbewegungsmittels beispielsweise ein Straßenfahrzeug (z.B. Motorrad, PKW, Transporter, LKW) oder ein Schienenfahrzeug oder ein Luftfahrzeug/Flugzeug und/oder ein Wasserfahrzeug ist, ohne den Lidar-Sensor dadurch auf eine ausschließliche Verwendung im Zusammenhang mit einem Umfelderfassungssystem und/oder einem Fortbewegungsmittel einzuschränken.
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Die Sendeeinheit ist beispielsweise mittels eines Halbleiterlasers (Laserdiode), oder mittels einer davon abweichenden Lasertechnologie eingerichtet, einen Laserstrahl zu erzeugen, dessen örtliche Strahlverteilung entlang einer Ablenkrichtung (Scan-Richtung) der Ablenkeinheit eine Doppel-Peak-Verteilung aufweist, deren Lichtenergie in einem zentralen Abschnitt zwischen den beiden Peaks (d. h., zwischen den beiden Spitzenwerten der Verteilung) um einen vordefinierten Faktor geringer ist, als die Lichtenergie in dazu jeweils seitlich benachbarten Abschnitten, welche die Peaks aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass es je nach Ausgestaltung des Lidar-Sensors möglich ist, dass die Sendeeinheit über eine Mehrzahl von Halbleiterlasern verfügt, so dass beispielsweise durch übereinander angeordnete Halbleiterlaser eine Abtastlinie erzeugt wird.
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Die Ablenkeinheit weist beispielsweise einen oder mehrere rotierende Spiegel auf, wobei die Ablenkrichtung in diesem Fall durch eine Rotationsrichtung der Ablenkeinheit vorgegeben wird. Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen rotierenden Ablenkeinheit ist es denkbar, dass die Ablenkeinheit auf Basis einer Mehrzahl von Mikrospiegeln oder einer davon abweichenden Technologie realisiert ist. Die Ablenkeinheit ist eingerichtet, den durch die Sendeeinheit erzeugten Laserstrahl entlang der Ablenkrichtung in ein Umfeld des Lidar-Sensors abzulenken. Unter der Ablenkrichtung soll diejenige Richtung verstanden werden, welche einer Hauptabtastrichtung des Lidar-Sensors entspricht. Im Zusammenhang mit einer Verwendung des Lidar-Sensors in einem Umfelderfassungssystem eines Fahrzeugs, entspricht die Hauptabtastrichtung beispielsweise einer horizontalen Richtung, wodurch ein Umfeld des Fahrzeugs beispielsweise von links nach rechts oder umgekehrt abgetastet wird. Dies schließt explizit nicht aus, dass die Hauptabtastrichtung auch einer vertikalen oder einer diagonalen Richtung entsprechen kann. Dies schließt ebenfalls nicht aus, dass der Laserstrahl zusätzlich zur Hauptabtastrichtung eine weitere Ablenkung (z. B. orthogonal zur Hauptabtastrichtung) während des Abtastens des Umfeldes erfährt.
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Die oben beschriebene Doppel-Peak-Verteilung des Laserstrahls des erfindungsgemäßen Lidar-Sensors bietet den Vorteil, dass durch diesen eine Augensicherheit in grundsätzlich beliebigen Abständen zum Lidar-Sensor sicherstellbar ist. Im Falle einer im Wesentlichen frontalen Betrachtung des aus dem Lidar-Sensor austretenden Laserstrahls, erreichen die einzelnen Peaks der Doppel-Peak-Verteilung die Netzhaut eines Betrachters aufgrund deren örtlicher Verteilung und der Abtastbewegung des Lidar-Sensors nacheinander, so dass eine im Auge eintreffende Gesamtenergie des Laserlichtes über die Zeit verteilt wird, wodurch eine Augensicherheit entsprechend erhöht wird. Ein im Auge des Betrachters eintreffendes Muster des Laserstrahls stelle dabei eine Faltung der Strahlverteilung mit der Pupillenfunktion des Auges dar, was im Wesentlichen zu einer Verbreiterung der Verteilung führt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders vorteilhaft sind eine Höhe und/oder eine Breite der Peaks und/oder ein Abstand der Peaks der Doppel-Peak-Verteilung in Übereinstimmung mit vordefinierten Anforderungen an die Augensicherheit des Lidar-Sensors festgelegt. Bei dieser Festlegung werden vorzugsweise weitere die Augensicherheit betreffende Parameter wie eine Pulsdauer des Laserstrahls, eine Divergenz des Laserstrahls, eine streuende Wirkung von optischen Elementen innerhalb des optischen Pfades des Lidar-Sensors, eine maximale Sendeleistung, eine Abtastrichtung, eine Abtastgeschwindigkeit des Lidar-Sensors, usw. berücksichtigt.
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Vorzugsweise ist der Lidar-Sensor eingerichtet, die Augensicherheit in einem Nahbereich einer Lichtaustrittsschnittstelle des Lidar-Sensors sicherzustellen, wobei der Nahbereich einem Abstand von bis zu 10 m, bevorzugt bis zu 5 m und insbesondere bevorzugt bis zu 1 m von der Lichtaustrittsschnittstelle des Lidar-Sensors entspricht. Die Lichtaustrittsschnittstelle ist beispielsweise ein für den Laserstrahl optisch durchlässiges Fenster, welches ein ebenes oder ein gekrümmtes Fenster sein kann. Es sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Lidar-Sensor darüber hinaus auch in der Lage ist, eine Augensicherheit in davon abweichenden Abständen zur Lichtaustrittsschnittstelle sicherzustellen. Grundsätzlich ist es denkbar, die vorgeschlagene Doppel-Peak-Verteilung derart auszulegen, dass sich diese auch in einem Fernbereich (z. B. in einem Abstand von bis zu 100 m oder bis zu 300 m) und/oder in einem Bereich zwischen dem Nahbereich und dem Fernbereich ausprägt, um die Augensicherheit auch in größeren Abständen zum Lidar-Sensor sicherzustellen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung entspricht die Lichtenergie im zentralen Abschnitt der Strahlverteilung maximal bis zu 50 %, bevorzugt bis zu 20 % und insbesondere bevorzugt bis zu 10 % der Lichtenergie, welche jeweils in den die Peaks aufweisenden Abschnitten vorliegt.
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Weiter bevorzugt entspricht eine Breite der die Peaks umfassenden Abschnitte 2 % bis 30 % und bevorzugt 5 % bis 25 % einer Gesamtbreite des Laserstrahls entlang der Ablenkrichtung des Lidar-Sensors.
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Vorzugsweise ist der aus dem Lidar-Sensor austretende Laserstrahl ein kollimierter Laserstrahl und ein örtlicher Abstand zwischen den beiden Peaks an der Lichtaustrittsschnittstelle beträgt mindestens 1 cm, bevorzugt mindestens 1,5 cm und insbesondere bevorzugt mindestens 2 cm.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Lidar-Sensor eingerichtet, die Doppel-Peak-Verteilung mittels einer Mehrzahl optisch gekoppelter Halbleiterlaser (auch Multijunction-Laser) zu erzeugen. Eine solche Mehrzahl optisch gekoppelter Halbleiterlaser umfasst beispielsweise eine Anzahl von 4 bis 10 Halbleiterlasern oder eine davon abweichende Anzahl, welche in Form eines Stacks („Stapel“) angeordnet ist. Eine mittels der Mehrzahl gekoppelter Halbleiterlaser zu erzeugende Strahlverteilung lässt sich zudem durch eine geeignete Festlegung der Abstände jeweils benachbarter Halbleiterlaser variieren und somit optimal an jeweilige Anforderungen an die Augensicherheit anpassen. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung einer Mehrzahl optisch gekoppelter Halbleiterlaser ist es möglich, die erfindungsgemäße Strahlverteilung auf Basis eines optischen Systems, welches beispielsweise ein oder mehrere strahlformende Elemente (z. B. Linsen, usw.) aufweist, im Strahlengang des Lidar-Sensors zu erzeugen. Das optische System ist demnach vorteilhaft in Kombination mit der Mehrzahl optisch gekoppelter Halbleiterlaser einsetzbar, um beispielsweise die Strahlverteilung hinsichtlich der Augensicherheit weiter verbessern. Andererseits ist es auf Basis des optischen Systems möglich, die erfindungsgemäße Strahlverteilung ausschließlich auf Basis eines solchen optischen Systems herzustellen, indem beispielsweise ein optisch nicht gekoppelter Halbleiterlaser-Stack mit einem geeigneten strahlformenden optischen System kombiniert wird, so dass es möglich ist, z. B. eine Gauß-Verteilung von Laserstrahlen eines solchen Stacks in eine erfindungsgemäße Doppel-Peak-Verteilung zu überführen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das optische System ein würfelförmiges optisches Element auf, welches derart innerhalb des Strahlengangs des Lidar-Sensors angeordnet ist, dass zwei bezüglich eines Schwerpunktes des Würfels gegenüberliegende Kanten innerhalb des Strahlengangs liegen. Eine Ausrichtung der beiden Kanten innerhalb des Strahlengangs entspricht vorzugsweise einer Anordnungsrichtung der Mehrzahl von Halbleiterlaser-Stacks der Sendeinheit.
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Bevorzugt ist die Sendeeinheit eingerichtet, Laserlicht mit einer Wellenlänge im nahinfraroten Bereich auszusenden. Es sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Lidar-Sensor darüber hinaus auch Laserlicht in einem davon abweichenden Wellenlängenbereich erzeugen kann.
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Weiter bevorzugt ist der erfindungsgemäße Lidar-Sensor ein Punkt-Scanner und insbesondere bevorzugt ein Linien-Scanner.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Lidar-Sensor in einer ersten Ausführungsform;
- 2 ein Beispiel für eine örtliche Strahlverteilung eines Laserstrahls eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors;
- 3a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen örtlichen Verteilung eines Laserstrahls des Lidar-Sensors;
- 3b einen mit 3a korrespondierenden zeitlichen Verlauf des Laserstrahls, wie er durch einen Betrachter gesehen wird;
- 4 eine schematische Darstellung eines optisch gekoppelten Halbleiterlaser-Stacks; und
- 5 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Lidar-Sensor in einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Lidar-Sensor in einer ersten Ausführungsform. Der Lidar-Sensor, welcher hier als Linien-Scanner ausgebildet ist, weist eine Sendeeinheit 10 auf, welche eine Mehrzahl von Stapeln aus jeweils fünf optisch gekoppelten Laserdioden 12 umfasst. Die Laserdioden 12 der einzelnen Stapel sind hier jeweils quer zur Richtung des resultierenden Laserstrahls 15 ausgerichtet, während die jeweiligen Stapel in der Draufsicht übereinander angeordnet sind. Die Laserdioden 12 senden hier jeweils Licht im nahinfraroten Wellenlängenbereich aus.
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Die optisch gekoppelten Laserdioden 12 erzeugen jeweils eine Strahlverteilung, welche der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Doppel-Peak-Verteilung entspricht. Ein zentraler Abschnitt 40 der übereinander angeordneten Laserstrahlen 15 der jeweiligen Stapel von Laserdioden weist eine anteilige Lichtenergie auf, welche maximal 10 % der Lichtenergie in jeweiligen Randabschnitten 45 der Laserstrahlen 15 entspricht. Eine Breite der Randabschnitte 45, welche die Peaks 50 der Doppel-Peak-Verteilung umfassen, entspricht hier in etwa 25 % einer Gesamtbreite der jeweiligen Laserstrahlen 15, während 95 % der Lichtenergie der Laserstrahlen 15 hier innerhalb eines Abstrahlwinkels in Ablenkrichtung des Lidar-Sensors von ungefähr 40° liegt. Ferner weist der Lidar-Sensor eine Ablenkeinheit 20 auf, welche eingerichtet ist, die durch die Sendeeinheit 10 erzeugten und durch ein optisches System 90 geformten Laserstrahlen 15 entlang einer Ablenkrichtung 30 in ein Umfeld 60 des Lidar-Sensors abzulenken.
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Auf Basis der vorstehenden Konfiguration ist der Lidar-Sensor eingerichtet, in einem Nahbereich 70, welcher hier durch einen Abstand von bis zu 1 m bezüglich eines Lichtaustrittsfensters 80 des Lidar-Sensors definiert ist, eine Augensicherheit für einen Betrachter des Laserstrahls 15 sicherzustellen.
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2 zeigt ein Beispiel für eine örtliche Strahlverteilung eines Laserstrahls 15 eines erfindungsgemäßen Lidar-Sensors. Die Strahlverteilung repräsentiert eine örtliche Verteilung der Lichtenergie E des Laserstrahls über die Entfernung d. Zusätzlich ist hier eine Breite 17 des Laserstrahl 15 definiert, innerhalb welcher sich vorzugsweise 95 % der Lichtenergie des Laserstrahls 15 befindet.
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3a zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen örtlichen Verteilung eines Laserstrahls 15 des Lidar-Sensors zu unterschiedlichen Zeitpunkten t1, t2 und t3, welcher durch eine Sendeeinheit 10 erzeugt wird. Der Laserstrahl 15, welcher die in der Nähe des Auges 100 dargestellte erfindungsgemäße örtliche Verteilung aufweist, wird durch eine (nicht gezeigte) Ablenkeinheit 20 des Lidar-Sensors in der Ablenkrichtung 30 abgelenkt. Dadurch treffen die Peaks 50 des Laserstrahls 15 zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf der Netzhaut des Auges 100 auf, wodurch eine Augensicherheit des Lidar-Sensors mit einer solchen Verteilung entsprechend erhöht wird.
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3b zeigt einen mit 3a korrespondierenden zeitlichen Verlauf des Laserstrahls, wie er durch einen Betrachter gesehen wird. Aus 3b geht insbesondere das in 3a beschriebene zeitlich versetzte Eintreffen der Peaks 50 im Auge 100 des Betrachters hervor.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines optisch gekoppelten Halbleiterlaser-Stacks einer Sendeeinheit 10 des erfindungsgemäßen Lidar-Sensors, wobei der Halbleiterlaser-Stack hier exemplarisch fünf Laserdioden 12 aufweist, welche übereinander auf einem Substrat 110 angeordnet sind. Eine aus der optischen Kopplung der Laserstrahlen 15 dieses Stacks resultierende örtliche Verteilung entspricht der oben beschriebenen Doppel-Peak-Verteilung.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Lidar-Sensor in einer zweiten Ausführungsform. Der Lidar-Sensor in der zweiten Ausführungsform weist eine Sendeeinheit 10 auf, welche eine Mehrzahl von Stapeln optisch nicht gekoppelter Laserdioden 12 aufweist, wobei hier jeder Stapel eine Anordnung von jeweils drei Laserdioden 12 aufweist. Durch diese Sendeeinheit 10 erzeugte Laserstrahlen 12 weisen jeweils eine örtliche Verteilung auf, die einer Gauß-Form entspricht. Der Lidar-Sensor in der zweiten Ausführungsform weist ebenfalls ein optisches System 90 auf, welches die Laserstrahlen 15 der Sendeeinheit 10 in geeigneter Weise beeinflusst. Durch das würfelförmige optische Element 95 im Strahlengang des Lidar-Sensors wird eine erfindungsgemäße Doppel-Peak-Verteilung erzeugt, welche die Augensicherheit dieses Lidar-Sensors im Nahbereich des Lidar-Sensors sicherstellt. Eine Ablenkeinheit 20 des Lidar-Sensors ist hier zur Vermeidung von Wiederholungen nicht dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017213726 A1 [0005]
- DE 102018212735 A1 [0006]
